今天给大家分享一篇近期发表在JACS上的研究进展，题为：Isotope Effect in the Activation of a Mechanophore。该工作的通讯作者是来自英国曼彻斯特大学的Guillaume De Bo。
对有机反应体系施加力的影响，可以改变反应的势能面，从而产生常规反应条件下无法实现的反应结果和选择性。研究表明，多种因素可以影响力化学反应，比如：和mechanophore相连的聚合物的结构、所选linker的结构、取代基效应等等。一般情况下，这些因素仅影响反应的活化速率（rate of activation）；少数情况下，反应结果会发生改变，而这一般是力修正势能面过渡态后分叉（post-transition-state bifurcation on the force-modified potential energy surface）的结果。
在本工作之前，作者研究了1H的力致断裂，发现存在三种共存的反应路径，分别为异裂、协同和均裂（图1，Nat. Chem. 2020, 12, 826−831）。芳环上氟原子的个数通过影响断裂键的极化程度，进而影响反应选择性：四氟取代的底物倾向于异裂，而芳环只有一个氟原子取代的底物倾向于协同机理。作者提出用力修正势能面过渡态后分叉的模型解释多种反应路径的并存（图2）。
图1. 1H的三种力致断裂途径
图2. 力修正势能面过渡态后分叉机理
本工作中，作者进一步探究了H的同位素效应对反应结果的影响（图3），并通过19F NMR表征手段得到了不同产物的比例（图4）。
图3. 探究H同位素效应的影响
图4. 不同底物的反应结果
（注：nF表示芳环上F原子个数）
从上述结果中，作者得到两个规律：一个是，对于非氘代体系，芳环上氟原子越多，异裂机理越有利；另一个是，对于氘代体系，异裂机理总是更有利的，这一点对于氟原子单取代体系最为明显（图4- 1xc，图5）。
图5. 氘代改变氟原子单取代体系的选择性
为了进一步探究上述选择性的来源，作者使用密度泛函理论对反应的力修正势能面进行了计算（DFT B3LYP/6-31G*, solvent model: SM8=THF）。计算结果表明，该体系分叉势能面的谷-脊拐点（valley-ridge inflection ，VRI）呈现三原子共直线的几何构型，从而完善了图2中的机理（图6）。
图6. VRI几何构型的确定
图7. 氟原子单取代体系的反应势能面
结合势能面的计算（图7），以及对反应过程中C-H键和C-D键振动频率和振动幅度的分析，作者对本工作中的动态同位素效应（dynamic isotope effect）进行了解释：在VRI处，虽然协同路径的能量下降梯度更大，但需要更大的原子位移。由于C-D键的伸缩振动幅度和振动频率均低于C-H键，这使得H原子换为D后，需要更大H原子位移的协同路径更加不利；而相对来说，异裂路径对这一变化不敏感，最后使得选择性倾向于异裂路径。
综上，本工作中作者展示了一个动态同位素效应影响力化学选择性的例子，丰富了我们对力化学的理解，并有助于指导新体系的设计。
